钻孔高压喷射扩孔压灌混凝土异型桩成桩方法及所用装置 技术领域：本发明涉及基础工程施工用的筑桩方法及所用的成桩装置，具体地说是涉及一种灌注钢筋混凝土桩的成桩方法及所用的装置。
背景技术：在桩基础地基加固、基坑护壁、水库堵漏等工程中，常采用钢筋混凝土桩或通过筑成底下连续墙等方法。目前国内外经常采用的成桩方法有如下几种：
1、美国专利US-2920455号公开了一种成桩方法：其工艺过程是用螺旋钻杆钻到预定深度后边提拔钻杆边用0.6～0.7Mpa的压缩空气压送混凝土直至孔口附近不坍孔的高度，然后在不坍孔的顶部空孔中放入适应空孔深度的钢筋笼[此时钢筋笼已无法插入第一次灌送的混凝土中]，然后再从上灌入混凝土，从而形成下部较深的素混凝土桩和上部较短的钢筋混凝土桩。这种方法的缺陷在于：灌注混凝土是用压力为0.6~0.7Mpa地压缩空气压送，桩与周围土层结合时，尤其在空隙率大或软塑淤泥的地质条件下，由于浆液的扩散流失，以及混凝土自身的收缩，加之无法振捣，可能出现桩体的颈缩以致断裂，以致桩周摩擦力的减弱。另外这种桩大部分为素混凝土，钢筋混凝土只能做局部的一段，所以桩身整体强度不高。
2、pip工法[日本“基础工”学刊1982年第8期的“桩列式地下壁工法的种类与特长”一文中介绍的灌注钢筋混凝土工艺方法]是在成孔提钻的同时从设在钻头的出浆口中用0.7Mpa的压力压出浆液并注满整孔，然后放入钢筋笼，混凝土凝固后即成钢筋水泥浆桩。Pip工法，是低压力的一次注浆成桩，由于浆液的扩散、渗透、流失以及固结中的收缩等因素会造成桩体和土体的间隙，使桩侧摩擦力减弱且易出现缩颈、断桩等问题。
3、Cip工法[日本“基础工”学刊1982年第8期的“桩列式地下壁工法的种类与特长”一文中介绍的另一种灌注钢筋混凝土工艺方法]是只有在完全没有地下水、流沙及坍孔的良好地质条件下，钻到设计深度后提出钻杆，在孔中放入钢筋笼和注浆管，再向孔中填满粒料，并用0.6～0.7Mpa的压力一次压注水泥浆直至浆液达到孔口，它形成的是整体钢筋混凝土桩。其它的缺陷与pip工法基本相同。
4、中国专利CN86100705B号“钻孔压浆成桩法”的工艺步骤是：钻孔至预定深度，在提钻同时通过设在钻头上的喷嘴向孔内高压喷注浆液至无坍孔危险的高度，提出钻杆后向孔内放入钢筋笼和注浆管直至孔底，填满粒料，通过注浆管向孔内二次高压补浆至浆液达到孔口。用该种成桩方法灌注的桩其材质属无沙混凝土，桩身强度不高；其次高压注浆的目的是为了在坍孔地层护壁，它没有大幅度提高桩端承载力和桩侧摩擦力；另外该工艺需要二次补浆也影响施工效率。
5、中国专利CN93100888.3号“钻孔灌注混凝土成桩法”的工艺是用灌注混凝土钻机钻孔至预定深度，在提起钻杆的同时通过钻机芯管出料口以0.1-7.5Mpa的压力注入水泥浆，其注入量为注孔体积的3-10％，边提升钻杆边压入混凝土至略高于没有坍孔危险的位置，提出钻杆放入钢筋笼，灌注混凝土至设计高度。用该种方法虽然较“钻孔压浆成桩法”在桩身强度、施工速度上有所提高，但没有解决扩大孔底直径增加桩端承载力的问题，另外侧摩阻提高的也十分有限。
6、中国专利ZL96109873.2号，“喷翼、沉管成桩法”的工艺是采用沉管桩机沉管到底，然后完成下钢筋笼和灌注混凝土，在提拨桩管的同时，通过设置在桩壁四周的喷嘴向外喷射高压水泥浆形成板状灰土体，桩管提出后，此板状灰土体与桩管内混凝土相连接形成侧翼机构桩。该方法钻具不旋转，因此不能通过高压旋喷水泥浆来加大孔底直径，所以桩端承载力不能大幅度提高。另外该方法用震动沉管时噪音较大，在市区施工受到较大限制。而用静压沉管因设备重量有限和地层的限制往往沉管也较为困难。
7.中国专利申请号：01127991.5钻孔泵灌大流动砼孔底射浆扩底成桩法及成桩装置。其工艺步骤为：钻孔结束后，泵灌砼前通过钻头内悬挂的注浆管向孔内喷射水泥浆，同时上下串动钻具，射浆结束进行泵灌砼和插入钢筋笼。该方法缺点是：由于高压喷射管悬挂在钻杆内，当高压喷射时不固定的喷射管在反力的作用下，向后紧贴钻杆内壁，导致其距孔壁距离增大再加上喷嘴到叶片外边缘的距离，造成喷射压力巨减所以难以形成扩大孔。由于喷浆管悬挂在钻杆内不固定，当钻具悬转时易发生弯曲、断裂堵塞砼。另外在易坍塌地层上下串动钻具易引起大面积孔壁坍塌，进而成桩困难。该方法不能形成螺旋型桩、翼型桩及糖胡芦型桩。
上述成桩方法中不同程度的存在桩端承载力较低、桩的侧摩阻较小、桩身强度低、适应地层能力差、易发生缩颈、断桩现象和施工效率低等问题。
发明内容：本发明提供一种钻孔高压喷射扩孔压灌混凝土异型桩成桩方法及所用装置。该方法解决了已有的成桩方法存在单桩承载力较低、桩的侧摩阻较小、桩身强度低、适应地层能力差、易发生缩颈、断桩现象和施工效率低等问题；该装置解决了已有的成桩装置使喷射压力巨减而难以形成扩大孔的问题。本发明的成桩方法包含如下步骤：b、桩端扩大头，用长螺旋钻机钻孔至设计标高后，在提钻具时，从安装在钻头侧翼内侧的喷嘴中向桩孔底部的侧壁喷射高压介质，使孔底直径扩大，然后下落钻具至孔底，并通过中空的钻杆由钻头底部的出料口向桩孔内压灌混凝土；c、形成异型桩：在上提钻具的过程中，从钻头侧翼内侧的喷嘴中向桩孔的孔壁喷射高压介质，使桩孔局部孔径扩大，并继续由钻头底部的出料口向孔内压灌混凝土，形成异型桩。上述高压介质为水或水玻璃，或者是强度等级为32.5～52.5、水灰比为(0.6～1.2)∶1的硅酸盐水泥。上述喷射介质的压力为10～40Mpa。上述混凝土的塌落度控制在18～25cm，该混凝土是由强度等级为32.5～52.5的硅酸盐水泥、粒径0.5～2.0cm的石子、中粗砂子、水组成，在混凝土中还可加入粉煤灰。本发明的成桩装置包含输送混凝土并钻孔的钻具1、固定在钻具1下端的带有出料口的钻头2，它还包含有固定连接在钻具1的钻杆内壁上的喷射管3、安装在钻具1上端在钻具旋转和升降时向喷射管3输送高压介质的回转装置5，连接在喷射管3下端的喷嘴4固定连接在钻头2侧翼2-1的内侧，喷嘴4的喷射口4-1位于钻头2的外边缘，喷射管3的上端连接回转装置5。该装置既可注入高压介质(水泥浆、水、玻璃水等)，又可灌注混凝土，而且互不影响。由于喷射管3是固定在钻具1内壁上，因而在钻孔时不会出现弯曲、断裂和堵塞混凝土的现象；由于喷嘴4的喷射口4-1位于钻头2的外边缘，因此不会减小喷射的压力，容易形成扩大孔。用本发明的方法(WZ工法)和装置所形成的钻孔高压喷射扩孔压灌混凝土异型桩的单桩承载力计算式如下：
(a)当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，按下式计算：
Quk＝QSK+QPK＝μ∑qsik·li·tsi+∑qpik·Api·tpi
(b)扩大头取Qpk＝Api·qpik·tpi；Apik-桩端扩大头面积，μ-桩身周长，qsip-桩侧第i层的极限侧阻力标准值可按《工程地质勘察报告》取值，如无实测资料时可按JGJ94-94表中查取。qpik-桩扩大头第i层端阻力标准值，可按《工程地质勘察报告》取值，如无实测资料时可按JGJ94-94表中查取。Li-桩穿越成第i层土的厚度。Api-桩端扩大头i层面积(m2)，可根据表1取值，tsi-桩周第i层土的提高参数，tpi-桩端第i层土的提高系数。
(c)取干钻孔或水下砼灌注桩侧摩阻及桩端。
钻孔高压喷射扩孔压灌砼异型桩与普通砼灌注桩单桩承载力对比。
A：普通砼灌注桩承载力计算：
QUK＝QSK+QPK＝μ∑qsik·li+qpk·Ap
B：WZ工法；
Quk＝QSK+QPK＝μ∑qsik·li·tsi+∑qpik·Api·tpi
在相同的地层：(1)Qsk提高1.2-2倍；(2)Qpk提高。(见表2)
表1钻孔高压喷射扩孔压灌砼异型桩扩大头直径参考值
注：N为标准贯入值。
表2WZ工法扩大孔后桩端承载力对比：
通过对比(见表2)可以看出用本发明的成桩方法所形成桩的单桩承载力提高非常大，而且桩的侧摩阻较大、桩身强度大，而且可适应多种不同的地层，不易发生缩颈、断桩现象，并提高了施工的效率。
附图说明：图1是具体实施方式一的工艺流程图，图2是具体实施方式二的工艺流程图，图3是具体实施方式三的工艺流程图，图4是具体实施方式一中成桩装置的结构示意图，图5是钻具1下端的结构示意图，图6是图5的B向视图，图7是回转装置5的结构示意图，图8是图5的A-A剖视图。
具体实施方式一：本实施方式的成桩方法是按如下步骤进行的(参阅图1)：a、用长螺旋钻机钻孔至设计标高；b、在提钻具时，从安装在钻头侧翼内侧的喷嘴中向桩孔底部的侧壁喷射高压介质，喷射压力为20Mpa，然后下落钻具至孔底，并通过中空的钻杆由钻头底部的出料口向桩孔内压灌混凝土；c、形成异型桩；在上提钻具至桩体的中部时向桩孔侧壁喷射高压介质进行局部扩孔，并继续由钻头底部的出料口向孔内压灌混凝土，局部扩孔时钻具的转数为10～25r/min，钻具的提升速度为10～35cm/min；局部扩孔完成后停止喷射高压介质，并将钻具的提升速度调至3～5m/min进行压灌混凝土，在桩体中部重复多次局部扩孔，即可形成糖葫芦形的桩；d、将钻具提出桩孔并灌满混凝土，残土随钻具的旋转和提升被带出地面，进而有效地解决了桩底虚土问题；e、向桩内下入钢筋笼。本实施方式的成桩装置由输送混凝土并钻孔的钻具1、固定连接在钻具1下端的带有出料口的钻头2、固定连接在钻具1内孔壁上的喷射管3、向喷射管3内输送高压介质的回转装置5和喷嘴4组成。至少一个喷嘴4固定连接在喷射管3的下端，喷嘴4固定连接在钻头2侧翼2-1的内侧，喷嘴4的喷射口4-1位于钻头2外边缘。喷射管3的上端连接回转装置5。回转装置5安装在钻具1的动力头减速箱7的上面。回转装置5由与钻具1固定连接的内套8、外套9、设在内套8和外套9之间的中环10、与高压介质泵的输料管6相连通的接头11组成；在内套8侧壁的内部有与喷射管3的上端相连通的竖向盲孔8-1，盲孔8-1的上端连有一个与内套8外表面相贯通的上通孔8-2，在外套9的侧壁上开有一个外通孔9-1，外通孔9-1内连接有接头11，中环10的内表面有与上通孔8-2相连通的内环槽10-1，中环10的外表面有与接头11相连通的外环槽10-2，在内环槽10-1和外环槽10-2之间分布有多个通孔10-3。在中环10的上下还分别设有上密封环12和下密封环13。外套9与钻具1上面的混凝土送料管的连接法兰1-2固定连接。使用时外套9是不转动的，内套8随钻具1转动，通过中环10上的通孔10-3即可向喷射管3输送高压介质。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：在c、形成异型桩过程时，使钻具不转动，并上提钻具，在提钻具时向桩孔的侧壁持续喷射高压介质，并同时灌注混凝土，钻具的提升速度为10～35cm/min，钻头上的多个喷嘴均匀分布于钻具的四周。由于钻头上有多个喷嘴4，因此可在桩孔壁上喷出多条竖向凹槽，从而形成多棱形桩(参阅图2)。其它工艺过程和成桩的装置与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，在c、形成异型桩过程时，钻具的提升速度是3～5m/min，钻具的转速为10～25r/min，提钻时持续喷射高压介质，并同时灌注混凝土，钻头上只有一个喷嘴位于钻具的一侧，这样即可形成螺旋形的桩体(参阅图3)。其它工艺过程和成桩装置与具体实施方式一相同。